Die Rolle der DNA-Methylierung in der transgenerationellen Stressresistenz einer klonalen Pflanze

• Antragstellerin: Professorin Meret Huber, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512079118

Schwindende intraspezifische Diversität und der globale Wandel bedrohen das Funktionieren der Ökosysteme und die menschliche Gesellschaft. Studien zur Fähigkeit von Arten, Stressresistenz ohne genetische Änderung zu erwerben, sind daher nötiger denn je. Es wird vermutet, dass DNA-Methylierung schnelle Adaptation in klonalen Organismen ermöglicht; experimentelle Belege für diese kontroverse Hypothese sind allerdings rar. Unsere bisherige Arbeit weist darauf hin, dass die Wasserlinse Spirodela polyrhiza – eine sich klonal vermehrende Blütenpflanze – ohne genetische Variation transgenerationelle Resistenz unter Kupferüberschuss erwerben kann. Darauf basierend schlage ich vor, mit S. polyrhiza drei fundamentale Fragen bezüglich der Rolle der DNA-Methylierung in der transgenerationellen Resistenz zu adressieren: 1) Wie häufig und stabil sind Stress-induzierte und spontane Veränderungen des Methyloms? 2) Führt Stress-induzierte Methylomvariation zu transgenerationeller Resistenz? 3) Können Populationen sich anhand Selektion spontaner Methylomvariation anpassen? Zuerst werden wir die spontane Epimutationsrate, sowie die Induzierbarkeit und transgenerationelle Stabilität des S. polyrhiza-Methyloms unter Kupferüberschuss und Blattlaus-Herbivorie untersuchen. Danach werden wir eruieren, ob S. polyrhiza transgenerationelle Resistenz nicht nur unter Kupferüberschuss, sondern auch unter Blattlaus-Herbivorie aufweist. Wir werden Abwehrstoffe und Gene identifizieren, welche mit transgenerationeller Resistenz assoziiert sind, und untersuchen, ob die Expression dieser Gene mit induzierter Methylomvariation assoziiert ist. Wir werden die identifizierten Gene und die DNA-Methylierungsenzyme genetisch und chemisch manipulieren um einen möglichen kausalen Zusammenhang zwischen Stress-induzierter Methylomvariation und transgenerationellen Resistenz zu etablieren. Drittens werden wir den Beitrag von Selektion von Methylomvariation zur transgenerationellen Resistenz untersuchen, indem wir das Methylome und die Effizienz von Selektion manipulieren: monoklonalen Populationen eines Wildtyps und eines DNA-Methylierungs-Knockouts werden für 80 Generationen unter Kontrolle, Kupferüberschuss und Blattlaus-Herbivorie in minimal kleinen und in grossen Populationen kultivieren. Da die Effizienz der Selektion mit der Populationsgrösse wächst, wird ein Vergleich in der Resistenz zwischen den kleinen und grossen Populationen, zwischen dem Wildtyp und dem Knockout, sowie unter chemischer Manipulation des Methyloms eine Schlussfolgerung bezüglich des Einflusses von Selektion von Methylomvariation zur schnellen Adaptation erlauben. Zusammen werden diese Experimente neue Einsichten zu den Ursachen und Konsequenzen von Methylom-Variation aufdecken, und dadurch eine kontroverse Hypothese in der evolutionären Ökologie testen. Im Anbetracht der Wichtigkeit der pflanzlichen klonalen Vermehrung und dem globalen Wandel werden diese Einsichten relevant im diversen Bereich der Biologie sein.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen